Проблемы реактивной мощности и решение задач повышения надежности и устойчивости распределительных электрических сетей

Проблемы реактивной мощности и
решение задач повышения надежности и
устойчивости распределительных
электрических сетей
Введение в тему Q и U
– уроки аварии 25 мая 2005 г.
Технические
Последствия
аварии
Отключение потребителей:
·
Московская энергосистема –
около 2500 МВт
(26% от общего энергопотребления в
регионе)
·
·
Тульская энергосистема –
900 МВт (87%)
Калужская энергосистема –
100 МВт (22%)
Социальные
Около 20 тыс. людей были
заблокированы в поездах
московского метро, около 1,5 тыс.
застряли в лифтах
Без электроснабжения остались
около 4 млн. людей, большое
количество предприятий, а также
социально значимые объекты
(продолжительность отключения
составила от нескольких часов до
суток).
Причины аварии
изложены в «Отчете по расследованию аварии в ЕЭС России», происшедшей
25.05.2006», размещенном на интернет-сайте ОАО РАО «ЕЭС России»
http://www.rao-ees.ru/ru/news/news/account/show.cgi?content.htm
Уроки аварии 25 мая 2005 г. (продолжение)
Этапы развития аварии
Подстанция
«Чагино»
полностью отключена
от Московской энергосистемы из-за
повреждения
оборудования
(трансформаторы, воздушные
выключатели,
система
воздухопроводов, изоляция)
Разорвано
Московское
энергокольцо 500 кВ из-за
отключения ВЛ со стороны
ПС «Чагино».
Возникновение дефицита реактивной мощности
Падение напряжения в
южной части Московской энергосистемы
Не достаточно правильные действия оперативно-диспетчерского
и
дежурного персонала
Перегрузка нескольких
ЛЭП 110 и 220 кВ, вызвавшая
провисание
проводов
Многочисленные
отключения ЛЭП 110-220
кВ
Перегрузка оставшихся ЛЭП 110 кВ
Падение напряжения
в сети 110-220 кВ
Каскадное развитие аварии. Отключение генерирующего оборудования
(автоматическое или ручное). Прекращено энергоснабжение конечных
потребителей в Московской, Тульской и Калужской энергетических системах.
Введение в тему – уроки аварии 25 мая 2005 г.
(продолжение)
Взаимосвязь возросших токовых нагрузок ВЛ с высокой температурой
наружного воздуха, солнечной радиацией и порослью
апрель
май
30,60С
Допустимые
токовые
нагрузки
ВЛ
были
посчитаны на температуру
наружного воздуха 20оС
май
апрель
3
ПРОБЛЕМА! Происходит рост потребности в доставке
реактивной мощности к шинам нагрузки – нонсенс!
После отмены приказом Министра энергетики (10.01.2000 №2) Правил
пользования электрической и тепловой энергией, потребители перестали
участвовать в поддержании напряжения на шинах нагрузок
Появились
проблемы с
поддержанием
(повышением)
напряжения на
шинах нагрузок
Возросли потоки
реактивной мощности
по системообразующим и распределительным сетям
к шинам нагрузок
Ограничилась
пропускная способность
ВЛ по активной
мощности и существенно
возросли потери в сетях
Безусловно, будь скомпенсирована реактивная мощность у потребителей Московской
энергосистемы, майской аварии 2005 года могло бы не быть. Скорее всего, ее и не было бы, потому
что не было бы такой загрузки реактивной мощностью и соответственно дополнительного провиса
отключившихся линий электропередачи, напряжение в узлах нагрузок было бы выше, генераторы бы
не перегрузились из-за форсировки возбуждения с целью увеличения выдачи реактивной мощности,
так как она не потребовалась бы, хватило бы времени на загрузку пускаемого оборудования и т.д.
После ухода потребителей от обязанности компенсировать потребляемую реактивную
мощность получен суммарный негативный результат исключение из баланса ЕЭС России более 50 тыс. МВар ИРМ потребителей
4
РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ И ПРОБЛЕМЫ…
Повышенное потребление реактивной
мощности электроприемниками или
пониженный коэффициент мощности
cos 
Возрастание тока , протекающего через сеть
2
2
I  P Q
3U
Снижается пропускная
способность сетей
Увеличивается сечение
проводов - удорожание
ρlP2
s
ΔPU 2cos2
P
P
P 2  Q2 S
Увеличиваются потери
активной мощности
2
2
ΔP  P  Q R
U2
Перерасходуется
электроэнергия
Увеличиваются потери
напряжения
ΔU  P  R  Q  X
U
Уменьшается напряжение
на шинах
электроприемников
Необходимость прокладки
новых сетевых магистралей –
удорожание
Дополнительное
увеличение тока
электрической сети
5
Изменение напряжения относительно номинального значения Uном
оказывает неблагоприятное влияние на режимы работы,
производительность и технико-экономические показатели всех
элементов электрической системы.
В соответствии с ГОСТ 13109-97 в электрических сетях систем электроснабжения
общего назначения нормально и предельно допустимые значения установившегося
снижения напряжения δ U на выводах приемников электрической энергии не должны
превышать 5% и 10% соответственно от номинального напряжения электрической
сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 (номинальное напряжение).
В системе электроснабжения потребителей для минимизации вероятности отключений потребителей
должен быть выдержан запас статической устойчивости нагрузки по напряжению.
Коэффициенты запаса статической устойчивости электроэнергетической системы по напряжению в узлах
нагрузки, которые в нормальном режиме должны быть не менее 15 %, в послеаварийном режиме – не менее 10 %,
рассчитываются по формуле:
kU 
U  U кр
U
где
100 %


U – напряжение в узле в рассматриваемом режиме;
U кр – критическое напряжение в том же узле, при котором
нарушается статическая устойчивость нагрузки
Как показывает практика это условие не выдерживается из-за пониженного уровня
напряжения в установившихся режимах работы сети.
При пониженных напряжениях вероятность отключения потребителей при провалах
напряжения значительно возрастает!
6
ПОЧЕМУ ОПАСНО СНИЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ?
статические характеристики реактивной
мощности Qн = f(U) более крутые, чем
статические
характеристики
активной
мощности Pн = f(U) – изменение напряжения
на 1% приводит к изменению реактивной
мощности на 2-5%, в то время как активной
лишь на 0,6-2%;
при снижении напряжения на шинах нагрузки до уровня U < Uкр
(критического напряжения статической характеристики узла нагрузки
по напряжению) происходит резкое повышение потребления
реактивной мощности, приводящее к увеличению потери напряжения,
дальнейшему снижению напряжения и быстроразвивающемуся в
течение нескольких секунд процессу, называемому лавиной
напряжения
При снижении напряжения потребитель свою мощность все равно выбирает…
P  R  Q  X

ΔU 
U
Уменьшается напряжение на шинах
электроприемников
Происходит дополнительное увеличение тока в
линиях электропередачи и дальнейшее снижение
напряжения
7
Первые шаги по нормализации напряжения в
распределительных сетях
В соответствии с приказом РАО ЕЭС «России» от 25.10.2005 №703 широкомасштабно
осуществляется процесс сертификации качества электрической энергии, в рамках которого
проводится оценка уровней напряжения в распределительных сетях на соответствие
требованиям ГОСТ 13109-97 и разрабатываются соответствующие мероприятия и план-графики
их выполнения. Целью данной работы является приведение качества электрического тока по
напряжению в соответствие с требованиями указанного стандарта.
98% электросетевых компаний получили сертификаты соответствия
электрической энергии установленным требованиям на центры питания,
входящие в первую очередь планов-графиков.
КОНКРЕТНЫЕ ШАГИ ПО УСТРАНИЕНИЮ ПОНИЖЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ:
В Московской энергосистеме реализуются проекты по устранению дефицита
реактивной мощности за счет установки в 2006 году секционированных БСК в
наиболее проблемных ПО НАПРЯЖЕНИЮ узлах ( ПС Кубинка, Можайск, Слобода,
Грибово).
Реализация поручений приказа РАО ЕЭС «России» от 25.10.2005 №703 – это, прежде всего:
 контроль и оценка состояния уровней напряжения в распределительных сетях, позволяющий
увидеть в целом картину обеспечения статической устойчивости по напряжению систем
электроснабжения и, соответственно, устойчивости нагрузки потребителей;

удовлетворение потребителей по качеству электрической энергии и надежности электроснабжения;

снижение потерь и улучшение технико-экономических показателей систем электроснабжения, т.е.
улучшение результатов бизнеса электросетевых компаний.
8
Нормализация напряжения в распределительных
электрических сетях – это не только взаимосвязь процессов
повышения надежности и социального имиджа
электросетевых компаний, но и повышение техникоэкономической эффективности сетевого бизнеса.
Потери активной мощности определяются по формуле, кВт:
Δ P = 3 × I 2 × r × 10 3
где: I – полный ток нагрузки, А; r – сопротивление, Ом.
т.е. потери зависят от квадрата тока нагрузки, а величина тока, в
свою очередь зависит от полной мощности, при этом чем выше Q,
тем выше I
I
P 2  Q2
3 U
Поэтому для уменьшения потерь важно снизить величину полного тока, что и достигается
снижением потоков реактивной мощности в распределительных сетях за счет ее
компенсации у потребителя или на ПС, расположенных вблизи от потребителя.
При этом важно понимать, что электротехнические исследования и расчеты
показывают следующую приблизительную зависимость для режима
пониженного напряжения в распределительной сети между уровнем
напряжения и потерями - повышение напряжения в сети на 5 % снижает
потери мощности на 10 % и наоборот.
9
Потери в электрических сетях
 Уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных перетоками
реактивных
мощностей,
является
реальной
эксплуатационной
технологией энергосбережения в электрических сетях. Эффективное
экономическое регулирование реактивных перетоков является одной из
наиважнейших проблем Российской электроэнергетики.
Снижение потерь по Холдингу на 1% только за счет компенсации
реактивной мощности на шинах нагрузок высвободит для потребителей же
1600 МВт, на 2 % - 3200 МВт и т.д.
 Поэтому с потерями надо бороться вооружившись знаниями, замерами, формулами и
расчетами, схемно-режимными мерами и улучшением баланса реактивной мощности.
 Исходной точкой данной работы должно являться признание факта повсеместной
загрузки линий электропередачи распределительных сетей потоками реактивной
мощности в диапазоне 60-80% от величины активной мощности (в ряде случаев более
100%).
10
Реактивная мощность не должна
поставляться потребителю по сетям!
P
Г
T 15/110
T 110/10
T 10/0,4
Q
БСК
ШР или УШР
БСК
УШР + БСК или СК
из этого следует вывод:
СУЩЕСТВУЕТ ОГРАНИЧЕНИЕ КОКУРЕНТНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
РЫНКА СИСТЕМНЫХ УСЛУГ В ЧАСТИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
11
В недавнем историческом прошлом
необходимая и достаточная по техническим
соображениям реактивная мощность в ЕЭС
России составляла 0,6 кВар на 1 кВт
суммарной активной нагрузки, а реальные
значения коэффициентов мощности
составляли сos φ (tg φ) на шинах 6-10
составляли 0,93 (0,4) .
В современных же сложившихся условиях
общее потребление реактивной мощности
Q потр∑ приближенно оценивается в размере
1 кВар на 1 кВт суммарного потребления
(нагрузки) активной мощности Р нагр∑.
12
Субъекты баланса реактивной мощности, их источники
реактивной мощности и средства ее компенсации
Электростанции. Источники Q: синхронные генераторы – Q(L,C) , асинхронизированные генераторы –
Q(L,C), шунтирующие реакторы – QL
Подстанции ЕНЭС. Источники компенсации Q: шунтирующие реакторы – Q L , управляемые шунтирующие
реакторы – QL , синхронные компенсаторы – Q(L,C)
Высоковольтные линии электропередачи. Источники компенсации Q: зарядная мощность линий
электропередачи – QC
Подстанции РСК. Источники компенсации Q: шунтирующие реакторы – Q L , управляемые шунтирующие
реакторы – QL , синхронные компенсаторы – Q(L,C), батареи статических конденсаторов – QC
Промышленные потребители. Источники компенсации Q: батареи статических компенсаторов – QC,
синхронные двигатели – QC, генераторы блокстанций – Q(L,C)
Объекты добычи и транспорта нефти и газа. Насосные водоканалов. Источники компенсации Q:
шунтирующие реакторы – Q L , управляемые шунтирующие реакторы – QL , синхронные двигатели –
Q(L,C) , синхронные компенсаторы – Q(L,C), батареи статических конденсаторов – QC
Мелкомоторное производство. Источники компенсации Q: батареи статических компенсаторов – QC,
синхронные двигатели – QC
Сельскохозяйственные потребители. Источники компенсации Q: батареи статических компенсаторов – QC,
зарядная мощность незагруженных линий электропередачи – QC
Населенные пункты. Источники компенсации Q: батареи статических компенсаторов – QC крупных
модульных потребителей (насосные, очистные, крупные офисы, торговые, спортивные и
развлекательные центры, подстанции электрофицированного транспорта).
13
Особенности рынка услуг по реактивной мощности и
поддержанию напряжения заключаются в том, что он
безусловно РЕГУЛИРУЕМЫЙ!
Генерируемая генераторами реактивная
мощность передается в высоковольтные
электрические сети.
В отличие от активной мощности
реактивная мощность для потребителей не
должна поставляться по линиям
электропередачи высокого напряжения,
так как это значительно увеличивает
потери в сети и снижает пропускную
способность ВЛ.
Регулирование напряжения в системе
электроснабжения осуществляется
изменением коэффициентов
трансформации трансформаторов,
реакторами, синхронными
компенсаторами, батареями статических
конденсаторов и т.п.
2
3
4
По техническим и экономическим
5
соображениям передача реактивной
мощности и по распределительным сетям
нецелесообразна, так как это приводит к
ограничению пропускной способности
электрических сетей и значительным
потерям в них.
Распределительная сеть не должна
быть загружена реактивной
мощностью!
1
6
Потребитель реактивную
мощность МОЖЕТ покупать
(но дорого!), причем только у
своей электроснабжающей
организации.
6
Но правильнее, если нехватку реактивной
мощности потребитель компенсирует
собственными источниками реактивной
мощности.
Это выгодно всем: потребителям,
электросетевым компаниям, ЕНЭС России и
экономике России!
Только этот сегмент рынка реактивной мощности может быть
конкурентным с точки зрения экономической и технической конкуренции
по принципу «купить или иметь свое», но и то выбор варианта будет
ограниченным и во многом зависеть от загруженности подводящей
электрической сети!
14
Пример компенсации реактивной
мощности
До
компенсации:
До
компенсации:
ПС 110/10 кВ
Iдо = 180 А
После
компенсации :
P = 26,04 МВт,
Q = 3,41 Мвар.
Снижение тока
на 25%
Снижение тока
на 3%
∑ Iдо = 728 А
П/СТ 10/0,4 кВ
Колхоз
Нагрузка:
∑Iпосле = 588 А
∑ Iдо= 613 А
Iпосле = 136 А
P = 27,01 МВт,
Q = 2,80 Мвар.
P = 10,17 МВт,
Q = 4,26 Мвар.
Поселок
∑ Iпосле = 706 А
∑ Iдо = 610 А
ВЛ - 110 кВ
После
компенсации:
П/СТ 10/0,4 кВ
P = 28,16 МВт,
Q = 19,10 Мвар.
P = 30 МВт,
Q = 20 Мвар.
Балансовый
раздел
Нагрузка:
∑Iпосле =430 А
П/СТ 10/0,4 кВ
Завод
P = 7,81 МВт,
Q = 4,68 Мвар.
Нагрузка:
Снижение тока
на 30%
Снижение
тока на 4%
P = 6,50 МВт,
Q = 5,99 Мвар.
Размещение компенсирующих устройств
ПС 110/10 кВ
Поселок
Колхоз
Завод
Q ск = 10 Мвар
Q бск = 2 Мвар
Q бск = 2 Мвар
Q бск = 4 Мвар
15
«Реактивная мощность»
и нормативные документы
Приказ Минтопэнерго № 49 от 22.02.2007 года определяет порядок
расчета значений соотношения потребления активной и реактивной
мощности для энергопринимающих устройств.
«Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной
мощности для отдельных энергоприемников (групп энергопринимающих
устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения
обязательств сторон в договорах оказания услуг по передаче электрической
энергии (договорах электроснабжения)».
Предельное значения коэффициентов реактивной
мощности tg φ для 110 кВ не более 0,5, для 35 кВ – 0,4,
6-20 кВ – 0,4, 0,4 кВ – 0,35.
16
Правила недискриминационного доступа к услугам по
передаче электрической энергии и оказания этих услуг (в
редакции Постановления Правительства РФ от 31.08.2006
№530):
 Потребители должны соблюдать значения соотношения (тангенса) потребления реактивной и
активной мощности, определенной в договоре в соответствии с порядком, утвержденным
Минпромэнерго РФ. Указанные характеристики определяются:
− сетевой организацией для потребителей услуг, присоединенным к электрическим сетям
напряжением 35 кВ и выше;
− сетевой организацией совместно с СО для потребителей услуг, присоединенных к
электрическим сетям напряжением выше 35 кВ.
 При отклонении потребителя от установленных договором значений соотношения в результате
участия в регулировании реактивной мощности по согласованию с сетевой организацией он
оплачивает услуги по передаче электрической энергии, в том числе в составе конечного тарифа
(цены) на электрическую энергию, поставляемую ему по договору энергоснабжения с учетом
понижающего коэффициента, устанавливаемого в соответствии с методическими указаниями,
утверждаемыми ФСТ РФ.
 В случае несоблюдения потребителем услуг установленных договором значений соотношения
потребления активной и реактивной мощности, кроме случаев, когда это явилось следствием
выполнения диспетчерских команд или распоряжений субъекта оперативно-диспетчерского
управления либо осуществлять по соглашению сторон, он устанавливает и обслуживает
устройства, обеспечивающие регулирование реактивной мощности, либо оплачивает услуги по
передаче электрической энергии, в том числе в составе конечного тарифа (цены) на
электрическую энергию, поставляемую ему по договору электроснабжения, с учетом
соответствующего повышающего коэффициента.
 Убытки, возникающие у сетевой организации или третьих лиц в связи с нарушением
установленных значений соотношения потребления активной и реактивной мощности,
возмещаются лицом, допустившим такое нарушение, в соответствии с гражданским
законодательством РФ
17
Правила технологического присоединения
энергопринимающих устройств (энергетических установок)
юридических и физических лиц к электрическим сетям,
утвержденные постановлением правительства РФ от
27.12.2004 № 861:
 Технические условия для технологического присоединения являются неотъемлемой часть
договора об осуществлении технологического присоединения к электрическим сетям.
 В технических условиях должны быть указаны обоснованные требования по усилению
существующей электрической сети в связи с присоединением новых мощностей …, …, ……,
…, установка компенсирующих устройств для обеспечения качества электроэнергии.
«Правила розничного рынка электроэнергии и мощности и
порядка ограничения потребителей», утвержденные
постановлением Правительства РФ от 31.08.2006 № 530:

п. 137. Если условиями договоров оказания услуг по передаче электрической энергии
(энергоснабжения) предусматривается необходимость соблюдения определенного
соотношения потребления активной и реактивной мощности, сторонами обеспечивается
учет реактивной мощности.
«Правила технической эксплуатации электрических станций и
сетей Российской Федерации, согласованные Минюстом:

п. 6.3.16. Порядок использования источников реактивной мощности потребителей должен
быть задан при заключении договоров между энергоснабжающей организацией и
потребителем. При необходимости диспетчерские органы должны использовать источники
реактивной мощности у потребителей для регулирования напряжения в контрольных
пунктах.
РД 34.20.185-94 «Инструкция по проектированию городских
электрических сетей» (СО 153-34.20.185-94, включен в
прил. 1 к приказу РАО «ЕЭС России» от 14.08.2003 №422:


Глава 2.4. (Электрические нагрузки сетей 10(6) кВ и ЦП). Коэффициент мощности (сos φ)
для линий 10(6) кВ в период максимума нагрузки принимается равным 0,92 (коэффициент
реактивной мощности tg φ принимается равным 0,43).
Глава 5.2. (Уровни и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности):
- 5.2.1. В городских электрических сетях должны предусматриваться технические
мероприятия по обеспечению качества электрической энергии согласно
требованиям ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Нормы качества электрической
энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего
назначения».
- 5.2.2. В электрических сетях должны быть обеспечены отклонения напряжения у
приемников электрической энергии, не превышающие +-5% номинального
напряжения сети в нормальном режиме и +-10% в послеаварийном режиме.
- 5.2.7. Сети 0,38-10 кВ должны проверяться в соответствии с ГОСТ 13109-97 на
допустимые значения размаха изменения напряжения при пуске электродвигателей,
а также по условию их самозапуска.
- 5.2.9. Компенсация реактивной нагрузки промышленных и приравненных к ним
потребителей выполняется в соответствии с действующими нормативными
документами по расчетам с потребителями за компенсацию реактивной мощности и
по компенсации реактивной мощности в электрических сетях промышленных
предприятий.
Компенсирующие устройства рекомендуется устанавливать непосредственно у
электроприемников.
Для жилых и общественных зданий компенсация реактивной нагрузки не
предусматривается.
Методические указания по проектированию развития
энергосистем, утвержденные приказом Минпромэнерго от
30.06.2003 №281:





5.35. При расчетах установившихся режимов следует исходить из того, что для снижения колебаний
напряжения в сетях энергосистем от работающих у потребителей мощных электроприемников (дуговые
сталеплавильные печи, синхронные двигатели) и несимметрии напряжения, создаваемой тяговой
нагрузкой, потребителем осуществляются расчеты и проводятся мероприятия, обеспечивающие
условия выполнения требований к качеству напряжения.
5.36. Выбор мощности и места установки компенсирующих устройств (статических тиристорных
компенсаторов и синхронных компенсаторов, батарей конденсаторов шунтовой и продольной
компенсации, управляемых и неуправляемых шунтирующих реакторов и других регулируемых средств
компенсации реактивной мощности) в основной и распределительной сети производится исходя из
необходимости повышения пропускной способности сети в нормальных и послеаварийных режимах,
условий включения линий, защиты от внутренних перенапряжений, поддержания необходимых уровней
напряжения, обеспечения непрерывного быстрого регулирования напряжения.
5.36.1. Реактивные составляющие максимальных нагрузок в расчетах режимов электрической сети
принимаются на основе анализа отчетных и проектных данных.
Синхронные двигатели рекомендуется принимать с выдачей реактивной мощности.
При отсутствии исходных данных по реактивной составляющей нагрузки коэффициент реактивной
составляющей нагрузки (tg φ ) рекомендуется принимать не выше следующих значений:
6-10 кВ = 0,4, 35 кВ = 0,49, 110 кВ = 0,54, 220 кВ = 0,59.
5.36.3. В целях снижения потерь мощности и электроэнергии в электрической сети рекомендуется
рассматривать целесообразность установки дополнительных компенсирующих устройств, главным
образом, непосредственно у потребителей на напряжении 0,4-10 кВ.
5.36.4. Применение регулируемых средств компенсации реактивной мощности (статических тиристорных
компенсаторов, управляемых реакторов) на подстанциях основной сети энергосистем рассматривается
при необходимости обеспечения быстрого и непрерывного регулирования напряжения.
СПАСИБО ЗА
ВНИМАНИЕ!